自動規劃經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的裝置和方法

2023-09-14 11:46:15 3

專利名稱：自動規劃經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種裝置以及一種方法，用於自動規劃在身體部位、特別是肺上經由皮膚的最小侵入手術的進入路徑。
背景技術：
經由皮膚的最小侵入手術是一種特別保護患者的介入技術。例如，在肺上活體組織檢查時或者在其它最小侵入手術時，將針刺入胸腔並直達目標位置。在那裡提取組織或者進行計劃的介入。隨後再次將針拔出，從而只留下很小的穿刺部位。但在肺上的這種手術經常傷及血管，從而會造成隨後必須止住的內部出血。如果在至目標位置的進入路徑上傷及更大的支氣管，那麼空氣會進入肺組織並引起需要隨後治療的所謂氣胸。
目前藉助於成像方法進行穿刺部位的規劃，一般情況下藉助於計算機斷層造影進行。在此，在計算機斷層造影的3D圖像數據中，從目標位置出發經過肋骨在皮膚上尋找適當的穿刺部位。穿刺部位與目標位置之間進入路徑上的血管和支氣管規劃時迄今為止大多不予考慮。特別是直接處於肋骨後的損傷部位或者更深的目標位置情況下，證明這種方法會造成失誤並在失誤情況下導致耗費時間和增加患者痛苦的步驟重複。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，提供一種裝置以及一種方法，可以自動規劃在身體部位、特別是肺上經由皮膚的最小侵入手術的進入路徑。
上述技術問題是通過本發明的裝置和方法得以解決的。該裝置以及該方法具有優點的構成可以參閱後面的說明書以及實施例。
用於自動規劃在身體部位、特別是肺上經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的裝置除了用於儲存3D圖像數據的存儲單元外，還包括至少一個分割模塊、規劃模塊、顯示模塊以及交互作用模塊。
分割模塊在所儲存的3D圖像數據內自動分割骨或骨骼部分例如像肋骨、肩或者脊柱，血管和需要時其它受手術侵害的單元例如像支氣管。在此，3D圖像數據可以來自適當的3D成像模態，特別是計算機斷層造影或者核磁共振斷層造影。不言而喻，也可以是其它成像模態的圖像數據，只要這些模態可以分割圖像數據中的骨、血管和其它受手術侵害的單元。分割本身以公知的方式利用在最簡單的構成中以閾值為基礎的適當分割技術進行。專業人員從醫學成像的圖像處理中已知大量用於此目的的分割技術。
規劃模塊在一個或者多個預先規定的路徑幾何形狀、目標位置和被分割的骨和單元基礎上自動確定一個或者多個至目標位置的進入路徑，這些路徑不經過骨並不穿過或者僅最小部分穿過血管和其它受手術侵害的單元。例如直線路徑或者具有確定半徑的彎曲路徑的路徑幾何形狀，可以或者通過使用者預先規定或者由用於選擇的裝置提供給使用者。在此，一般情況下在採用直線剛性器械例如剛性針或者剛性套針手術時選擇直線路徑。在彎曲的器械例如彎針情況下可以對應地預先規定適當彎曲的路徑幾何形狀。相同情況也適用於因其缺少強度而在介入時彎曲的薄針。在這些預先規定的路徑幾何形狀的基礎上，規劃模塊計算至目標位置的一個或者多個適合的進入路徑。這種計算可以通過掌握骨、血管和其它單元的位置，從例如肋骨(可能還有脊柱和肩)、在肺的情況下從血管和支氣管的分割步驟中進行，從3D圖像數據中皮膚表面的位置和可以事先通過使用者在三維圖像數據組的顯示中做出標記的穿刺部位的三維位置進行。在此，確定適當的三維進入路徑僅是一個可以通過適當算法解決的幾何形狀問題。在一個實施例中，為此可以在皮膚表面上預先規定大量相同分布的起始位置，將它們分別以預先規定的路徑幾何形狀與目標位置連接。在另一個實施例中採取相反的步驟。從受侵害器官的該位置出發，一族不同的路徑以各自預先規定的路徑幾何形狀處於皮膚表面的方向上。然後，從可供使用的進入路徑的集合中，然後以兩種實施例分別選出不經過骨或骨骼部分並不穿過被分割的單元、特別是血管或者支氣管的進入路徑。在此，這樣確定一個或者多個進入路徑，使其儘可能、也就是對於儘可能大部分的血管保持與血管取決於血管直徑的預先規定的安全距離。此外，可以在兩種實施例中預先規定，在多個合適的進入路徑情況下僅選擇提供最短進入路程和/或最小傷害危險的進入路徑。
顯示模塊用於顯示3D圖像數據和/或從中導出的圖像數據，以及用於顯示在3D圖像數據和/或從中導出的圖像數據中通過規劃模塊確定的進入路徑。導出的影響數據例如可以是MPR顯示(MPRMulti Planar Reformatting，多平面重整)。與顯示模塊緊密相關的是具有用戶接口的交互作用模塊，它用於交互式選擇和/或修正通過規劃模塊確定的進入路徑，以及用於在3D圖像數據或者從中導出的圖像數據的顯示中對目標位置做出標記。因此，使用者可以通過交互作用模塊在所顯示的3D圖像數據中對最小侵入手術所要求的目標位置做出標記。然後，將這種目標位置傳輸到規劃模塊內，以確定適合的進入路徑。此外，交互作用模塊可以用於在多個適合進入路徑的情況下在顯示中選出這些進入路徑中的一個或者也可以事後在分布中進行修正。不言而喻，3D圖像數據的顯示在此由使用者以適當的方式進行調整，特別是放大、縮小、移動或者旋轉。為此可以實現用於顯示三維圖像數據的所有技術。規劃模塊優選地也具有接口，通過該接口可以從其它應用程式(例如像計算機輔助檢測工具)中傳輸器官傷害坐標。
下面主要藉助肺上手術時的優選用途介紹該方法和該裝置，其中，例如肋骨作為骨而血管以及支氣管作為受手術侵害的單元被分割並且在規劃中予以考慮。不過，下面的說明毫無問題地也可以轉移到例如頸/項部位手術情況下的其它身體部位上。
在該裝置的優選實施方式中，這樣構成規劃模塊，使其在確定或者計算進入路徑時考慮該路徑與肋骨預先規定的安全距離。這種安全距離在該裝置上可以固定預先確定或者也可以事先由使用者通過交互作用模塊輸入。相同情況也適用於與血管和/或支氣管的安全距離。相應的血管和/或支氣管直徑越大，這種安全距離也就必須越大。因此，在這種情況下該裝置上儲存的或者通過使用者輸入的安全距離作為相關支氣管和/或血管直徑的函數被規定或選擇。進入路徑要經過的支氣管和/或血管的直徑也可以從分割的數據中自動確定。
在規划進入路徑時，會出現規劃模塊找不到不穿過血管和/或支氣管或者提供與血管和/或支氣管足夠安全距離的適合進入路徑。在這種情況下，向使用者顯示最小部分穿過血管和/或支氣管的進入路徑。與各自所規劃的進入路徑垂直的多平面重建使得潛在的傷害危險可視化。進入路徑的顯示最好這樣在視覺上凸顯出來，使得使用者可以在顯示中識別出由進入路徑穿過的相關支氣管和/或血管的位置和/或其尺寸或直徑。視覺上凸顯例如可以通過彩色標記進行。這樣可以讓使用者在選擇該進入路徑時快速瀏覽和風險評估。
因此，在任何情況下使用者均可以從該顯示中識別他必須在該穿刺部位上開始其手術並必須在該方向上進行穿刺的一個或者多個適合的進入路徑。在使用器械，例如上面裝有位置傳感器的活體組織檢查針，可以在手術期間通過導航系統採集和顯示器械尖端的位置情況下，也可以附加監測手術。為此，器械尖端的利用導航系統所採集的三維位置優選地各自帶有所選擇的進入路徑而淡入到三維圖像數據組或者從中導出的圖像數據的顯示中。這使得使用者可以與所選擇的進入路徑相應地精確定位和引導器械。不言而喻，導航系統在這種情況下必須相應地利用3D圖像數據在該裝置上記錄。這種記錄，也就是導航系統三維坐標系和3D圖像數據的對應，對於成像醫學技術領域的專業人員來說是足夠公知的。
因此，本發明的裝置和該裝置工作所依據的所屬方法可供肺上經由皮膚的最小侵害手術保護患者的自動路徑規劃使用。為此，僅需要肺的三維圖像數據組，例如像它可以利用計算機斷層造影所記錄的那樣。此外，使用者在這種最簡單的實施方式中僅需在三維圖像數據的顯示中對目標位置做出標記，然後由規劃模塊接收。然後，通過顯示模塊通常在監視器上向使用者顯示一個或者多個適合的進入路徑。通過這種自動規劃可以儘可能地避免因規劃失誤而造成對血管或者支氣管的傷害，從而消除複雜的再處理。


下面藉助於一種不是用來限制由權利要求書預先規定的保護範圍的實施例、結合附圖再次簡要介紹本裝置和所屬的方法。其中圖1示意地示出了本裝置各模塊的視圖；以及圖2示出本方法中方法過程的例子。
具體實施例方式
下面舉例描述的方法的目的是對於肺上經由皮膚的活體組織檢查保護患者的自動路徑規劃。在此，從肺的三維數據組1出發，該數據組在確定的呼吸階段上藉助於計算機斷層造影拍攝。該三維數據組1(參照圖2)儲存在圖1所示裝置的存儲單元10內。在此，該裝置還包括帶有顯示屏13的顯示模塊12、交互作用模塊14(在本實施例中具有滑鼠15和鍵盤16)、分割模塊11以及規劃模塊17。
如圖2所示，通過分割模塊11在所儲存的三維數據組1中進行肋骨2的自動分割、支氣管3的自動分割以及血管4的自動分割。此外，如果手術需要的話，在分割模塊11內也可以確定肺葉和肺段。與分割的同時、分割開始前或者分割之後，由使用者通過交互作用模塊14在監視器13上所顯示的三維數據組1中對介入的目標做出標記。在分割步驟和目標標記5之後，在規劃模塊17上這樣進行進入路經的自動規劃，使得儘可能少的支氣管和血管處於進入路徑上並使所需的穿刺部位與目標位置之間存在以安全距離經過肋骨的儘可能短的直線連接。適合的安全距離可以根據血管和支氣管尺寸預先規定。如果希望，代之以直線進入路徑也可以規劃彎曲的路徑。在此，考慮因其強度不夠在介入時彎曲的薄針可能的彎曲半徑。不言而喻，也可以考慮預先定義的、也就是所要求的彎曲半徑。將所找到的進入路徑在監視器13上向使用者顯示並可以由他選擇和在需要時適當地修改。圖2中通過步驟6概括出路徑規劃和顯示以及交互式修改。
如果沒有找到適合的路徑，那麼向使用者顯示可選擇性，其中，不能排除對血管和/或支氣管的傷害。同時在監視器13上顏色突出地顯示處於相應進入路徑上的血管和支氣管以及其直徑和其位置用於風險評估。然後，使用者可以決定是否選擇和需要時選擇哪些所提出的進入路徑。
介入期間藉助於適合的方法在步驟7中確定患者的呼吸階段並向使用者顯示。他由此可以在也進行三維數據組1測量的同一階段上進行介入。按照這種方式，保證圖像拍攝時和介入時解剖學狀況之間最小的失誤。如果與介入同時藉助於導航工具確定針尖的位置(如通過步驟8所體現的那樣)，那麼可以將該位置淡入到介入期間在監視器13上顯示的3D圖像數據組內，並因此使手術變得容易。規劃和介入的這種共同顯示對應於圖2視圖中的步驟9。
權利要求
1.一種用於自動規劃身體部位上經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的裝置，具有至少-一個用於儲存身體部位的3D圖像數據(1)的存儲單元(10)，-一個分割模塊(11)，它自動分割3D圖像數據(1)中的骨、血管和需要時其它受手術侵害的單元，-一個規劃模塊(17)，它在一個或者多個預先規定的路徑幾何形狀、目標位置和被分割的骨、血管和其它受手術侵害的單元基礎上自動確定一個或者多個至目標位置的進入路徑，這些路徑不經過骨並不穿過或者僅最小部分穿過血管和其它受手術侵害的單元，其中，這樣構成規劃模塊(17)，使一個或者多個通過規劃模塊(17)確定的進入路徑儘可能保持與血管的取決於血管直徑的預先規定的安全距離，-一個顯示模塊(12)，它用於顯示3D圖像數據(1)或者從中導出的圖像數據，並且用於顯示在3D影像數據(1)和/或者從中導出的影像數據中通過計劃模塊確定的進入路徑，以及-一個具有用戶接口的交互作用模塊(14)，它用於交互式選擇和/或修正通過規劃模塊(17)確定的進入路徑，以及用於在3D圖像數據(1)或者從中導出的圖像數據中對目標位置做標記(5)。
2.按權利要求1所述的用於自動規劃肺上經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的裝置，其中，分割模塊(11)在3D圖像數據(1)中自動分割骨骼部分、血管和支氣管，而規劃模塊(17)自動確定至目標位置的一個或者多個進入路徑，這些進入路徑不經過骨骼部分並不穿過或者僅小部分或者僅最小部分穿過血管和支氣管。
3.按權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，這樣構成規劃模塊(17)，使通過規劃模塊(17)確定的一個或者多個進入路徑保持與骨或者骨骼部分預先規定的安全距離。
4.按權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特徵在於，這樣構成規劃模塊(17)，使通過規劃模塊(17)確定的一個或者多個進入路徑儘可能保持與支氣管的取決於支氣管的直徑預先規定的安全距離。
5.按權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特徵在於，交互作用模塊(14)用於輸入與血管和/或與骨和/或與骨骼部分的安全距離，規劃模塊在其基礎上確定一個或者多個進入路徑。
6.按權利要求1至5中任一項所述的裝置，其特徵在於，這樣構成顯示模塊(12)，使其在通過規劃模塊(17)確定的進入路徑穿過血管和/或支氣管或者不保持至少一個安全距離的情況下，在視覺上凸顯有關血管和/或支氣管和/或其位置和直徑。
7.按權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，這樣構成顯示模塊(12)，使其在經由皮膚的最小侵入手術時使用將手術所使用的器械尖端的瞬時位置提供到該裝置的導航系統情況下，將該瞬時位置在3D圖像數據(1)或者從中導出的圖像數據顯示中顯示。
8.按權利要求1至7中任一項所述的裝置，其特徵在於，交互作用模塊(14)用於輸入路徑幾何形狀，在其基礎上規劃模塊確定一個或者多個進入路徑。
9.按權利要求1至8中任一項所述的裝置，其特徵在於，這樣構成規劃模塊(17)，使其在與目標位置最短或者簡單彎曲路程的前提下確定一個或者多個進入路徑。
10.一種用於自動規劃身體部位上經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的方法，其中，-提供身體部位的3D圖像數據(1)，-從3D圖像數據(1)中自動分割骨、血管以及需要時其它受手術侵害的單元，-在3D圖像數據(1)和/或從中導出的圖像數據的顯示中由使用者對目標位置在3D圖像數據(1)中做出標記，-在一個或者多個預先規定的路徑幾何形狀、目標位置和分割的骨、血管和其它受手術侵害的單元基礎上自動確定一個或者多個至目標位置的進入路徑，這些路徑不經過骨並不穿過或者僅最小部分穿過血管和其它受手術侵害的單元，其中，這樣確定一個或者多個預先規定的進入路徑，使其儘可能保持與血管取決於血管的直徑預先規定的安全距離，以及-在3D圖像數據(1)或者從中導出的圖像數據的顯示中向使用者顯示該一個或者多個進入路徑，以便提供信息和/或交互式選擇和/或修正。
11.按權利要求10所述用於自動規劃肺上經由皮膚的最小侵入手術進入路徑的方法，其中，從3D圖像數據(1)中自動分割骨骼部分、血管和支氣管(2至4)並且確定一個或者多個至目標位置的進入路徑，這些進入路徑不經過骨骼部分並不穿過或者僅最小部分穿過血管和支氣管。
12.按權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，這樣確定該一個或者多個進入路徑，使其保持與骨或者骨骼部分的預先規定的安全距離。
13.按權利要求10至12中任一項所述的方法，其特徵在於，這樣確定該一個或者多個進入路徑，使其儘可能保持與支氣管的取決於支氣管的直徑的預先規定的安全距離。
14.按權利要求10至13中任一項所述的方法，其特徵在於，與血管和/或骨或者骨骼部分和/或支氣管的安全距離由使用者預先規定。
15.按權利要求10至14中任一項所述的方法，其特徵在於，在確定穿過血管和/或支氣管的進入路徑時或者不保持至少一個預先規定的安全距離時，向使用者在視覺上凸顯有關的血管和/或支氣管和/或其位置和直徑。
16.按權利要求10至15中任一項所述的方法，其特徵在於，在經由皮膚的最小侵入手術時使用提供手術所使用的器械尖端的瞬時位置的導航系統情況下，向使用者顯示在3D圖像數據或者從中導出的圖像數據中的該瞬時位置。
17.按權利要求10至16中任一項所述的方法，其特徵在於，使用者預先規定或者選擇一個或者多個路經幾何形狀。
18.按權利要求10至17中任一項所述的方法，其特徵在於，該一個或者多個進入路徑在與目標位置最短的路程或者簡單彎曲的路程前提下確定。
全文摘要
本發明涉及一種裝置和方法，用於自動規劃身體部位、特別是肺經由皮膚的最小侵入手術的進入路徑。在此，提供身體部位的3D圖像數據(1)，從中自動分割骨以及受手術侵害的單元。在3D圖像數據和/或從中導出的圖像數據的顯示中，由使用者在3D圖像數據中對目標位置做出標記(5)。在一個或者多個預先規定的路徑幾何形狀、目標位置和被分割數據的基礎上，通過規劃模塊(17)自動確定一個或者多個至目標位置的進入路徑，這些路徑不經過骨並不穿過或者僅最小部分穿過受手術侵害的單元。在監視器(13)上的3D圖像數據(1)或者從中導出的圖像數據的顯示中向使用者顯示該一個或者多個進入路徑，以便提供信息和/或交互式選擇和/或修正。
文檔編號G06T7/40GK1907233SQ20061015134
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月7日 優先權日2005年8月5日
發明者盧茨·岡德爾 申請人:西門子公司